專利名稱：模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其工作方法。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,簡(jiǎn)稱ADC)通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的ADC是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)，ADC的精度與參考電壓的精度休戚相關(guān)，參考電壓是將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的電壓基準(zhǔn)。如

圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)中ADC的結(jié)構(gòu)框圖，該ADC可以包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11和參考電壓生成模塊12，參考電壓生成模塊12給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11提供參考電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11根據(jù)參考電壓信號(hào)將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。為了優(yōu)化整體性能，在圖1中，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11的差分輸入端接收差分輸入電壓信號(hào)，差分輸出端輸出差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)，其中，差分輸入電壓信號(hào)為+Vin和-Vin，差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)為+Vout和-Vout ;參考電壓生成模塊12輸出差分參考電壓信號(hào)Vrefp_0和Vrefn_0。如圖2A所示，為現(xiàn)有技術(shù)圖1中的參考電壓生成模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，差分基準(zhǔn)電壓信號(hào)Vrefp和Vrefn經(jīng)過單位增益緩沖器1211的驅(qū)動(dòng)后，輸出差分參考電壓信號(hào)Vrefp_0和Vrefn_0，其中，單位增益緩沖器121的內(nèi)阻為rO，單位增益緩沖器1211兩個(gè)輸出端之間的電容為Q。如圖2B所示，為現(xiàn)有技術(shù)圖1中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊11可以包括余量增益放大器(Multiplied Digital to Analog Convertor,簡(jiǎn)稱MDAC) 111 和比較器 112,其中，比較器112將輸入電壓信號(hào)Vin與預(yù)定閾值進(jìn)行比較，輸出比較結(jié)果，MDACl 11根據(jù)比較結(jié)果和參考電壓信號(hào)，將差分輸入電壓信號(hào)+Vin和-Vin轉(zhuǎn)換為差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)+Vout和-Vout。如圖3A所示，為現(xiàn)有技術(shù)中施加在ADC上的時(shí)鐘信號(hào)的波形示意圖，施加在ADC上的時(shí)鐘信號(hào)有兩個(gè)采樣時(shí)鐘信號(hào)和建立時(shí)鐘信號(hào)，在采樣時(shí)鐘信號(hào)為高電平(稱為時(shí)鐘米樣相，用相位I表不)時(shí)為ADC的米樣時(shí)間,在建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平(稱為時(shí)鐘建立相，用相位2表示)時(shí)為ADC的建立時(shí)間，相位I和相位2之間的空閑時(shí)間為非交疊時(shí)間。MDACl 11通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式，下面分別結(jié)合這兩種實(shí)現(xiàn)方式，說明圖1所示ADC的工作原理。如圖3B所示，為現(xiàn)有技術(shù)中MDAC處于相位I的一種電路示意圖，如圖3C所示，為現(xiàn)有技術(shù)中MDAC處于相位2的一種電路示意圖，參見圖3B，在相位I時(shí)，開關(guān)sw7和開關(guān)sw8閉合，正輸入電壓信號(hào)+Vin對(duì)MDACl 11的正輸入端的采樣電容C2和反饋電容Cl充電，充電后的采樣電容C2和反饋電容Cl上的電荷量分別為+Vin*Cl和+Vin*C2，負(fù)輸入電壓信號(hào)-Vin對(duì)MDAC的負(fù)輸入端的采樣電容C3和反饋電容C4充電，充電后的采樣電容C3和反饋電容C4上的電荷量分別為-Vin*C3和_Vin*C4。如表I所示，為現(xiàn)有技術(shù)中圖3B所示MDAC處于相位2的工作過程參考表，其中，Vref = (Vrefp-Vrefn)，根據(jù)輸入電壓信號(hào)Vin的值，將ADC的工作過程分為3個(gè)區(qū)域區(qū)域1:當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(_l*Vref，-0. 25*Vref)之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“1”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)SWl位于負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn,開關(guān)sw2位于正參考電壓信號(hào)輸入端Refp, MDACl 11的負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0提供的電荷為(Vrefn_0_Vin) *C2，MDACl 11的共模電壓端vcm需要的電荷為O，MDACl 11的正參考電壓信號(hào)輸入端Refp需要正參考電壓信號(hào)Vrefp_0 提供的電荷為(Vrefp_0+Vin) *C3。區(qū)域2 :當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(-0. 25*Vref，0. 25*Vref))之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“0”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)swl和sw2位于共模電壓端vcm, MDACl 11的負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn和正參考電壓信號(hào)輸入端Refp需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0和正參考電壓信號(hào)Vrefp_0的電荷為0，共模電壓端vcm需要的電荷為 2*vcm*C2。
區(qū)域3 :當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(O. 25*Vref，l*Vref )之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“-1”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)swl位于正參考電壓信號(hào)輸入端Refp,開關(guān)sw2位于負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn, MDACl 11的負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0提供的電荷為(Vrefn_0+Vin) *C3，共模電壓端vcm需要的電荷為0，MDACl 11的正參考電壓信號(hào)輸入端Refp需要正參考電壓信號(hào)Vrefp_0提供的電荷為(Vrefp_0-Vin)*C2。表I
Vin比較 swl sw2 Refn端需要電荷Refp Sg需要電荷
器輸位置位置要電荷
___*______
K 域(-l*Vref,0.25*V1-ef)I Refo Refp (Vre&_0O(Vrefp_0+Vin)*C3
J______-YmrCl___
區(qū)域(-0.25*Vref.0.25*Vrei)0 vcm vcm0vcm*O
2____(C2+C3 _
K 域(0.25 ^Vref51 ^Vretl- Κφ Reln (Vrefn_00(Vrefp_D -VinfCl
3I+Vin)*C3如圖4A所示，為現(xiàn)有技術(shù)中MDAC處于相位I的另一種電路示意圖，如圖4B所示，為現(xiàn)有技術(shù)中MDAC處于相位2的另一種電路示意圖，與圖3A和圖3B所示ADC的不同之處在于，MDACl 11的正輸入端的采樣電容C2采用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)電容分別是O. 5C2，MDAC111的負(fù)輸入端的采樣電容C3采用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)電容分別是O. 5C3。在相位I時(shí)，參見圖4A，輸入電壓信號(hào)Vin對(duì)采樣電容C2和反饋電容Cl進(jìn)行充電，充電后的采樣電容C2和反饋電容Cl上的電荷量分別為Vin*C2和Vin*Cl，輸入電壓信號(hào)-Vin對(duì)采樣電容C3和反饋電容C4充電，充電后的采樣電容C3和反饋電容C4上的電荷量分別為_Vin*C3和-Vin*C4。如表2所示，為現(xiàn)有技術(shù)圖4B所示MDAC的工作過程參考表，根據(jù)輸入電壓信號(hào)Vin的值，將ADC的工作過程分為3個(gè)區(qū)域區(qū)域1:當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(_l*Vref，-0. 25*Vref)之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“1”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)sw3和sw4處于負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn,開關(guān)sw5和sw6處于正參考電壓信號(hào)輸入端Refp,負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn端需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0提供的電荷為(Vrefn_0_Vin) *C2，正參考電壓信號(hào)輸入端Refp端需要正參考電壓信號(hào)Vrefp_0提供的電荷為(Vrefp_0+Vin) *C3 ；區(qū)域2 :當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(-0. 25*Vref，0. 25*Vref)之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“0”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)sw3和sw6處于負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn,開關(guān)sw4和sw5處于正參考電壓信號(hào)輸入端Refp,負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0提供的電荷為O. 5* (Vrefn_0_Vin)*C2+0. 5* (Vrefn_0+Vin) *C3，正參考電壓信號(hào)輸入端Refp需要正參考電壓信號(hào)Vrefp_0提供的電荷為 O. 5* (Vrefp_0-Vin) *C2+0. 5* (Vrefp_0+Vin) *C3 ；區(qū)域3 :當(dāng)輸入電壓信號(hào)Vin的值處于(O. 25*Vref，l*Vref )之間時(shí)，比較器112輸出邏輯信號(hào)“-1”，在比較器112輸出的邏輯信號(hào)的控制下，開關(guān)sw3和sw4處于正參考電壓信號(hào)輸入端Refp,開關(guān)sw5和sw6處于負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn,正參考電壓信號(hào)輸入端Refp需要正參考電壓信號(hào)Vrefp_0提供的電荷為(Vrefn_0+Vin) *C3，負(fù)參考電壓信號(hào)輸入端Refn需要負(fù)參考電壓信號(hào)Vrefn_0提供的電荷為(Vrefp_0_Vin) *C2。表權(quán)利要求
1.一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括參考電壓生成模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其中 所述參考電壓生成模塊包括參考電壓生成單元，所述參考電壓生成單元被構(gòu)造為輸出差分參考電壓信號(hào)，所述差分參考電壓信號(hào)包括正參考電壓信號(hào)和負(fù)參考電壓信號(hào)； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊被構(gòu)造為接收差分輸入電壓信號(hào)和差分參考電壓信號(hào)作為輸入，輸出差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)，所述差分輸入電壓信號(hào)包括正輸入電壓信號(hào)和負(fù)輸入電壓信號(hào)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包括比較器和余量增益放大器； 其特征在于，所述參考電壓生成模塊還包括動(dòng)態(tài)平衡單元，所述動(dòng)態(tài)平衡單元包括 第一電容，等于所述余量增益放大器的正輸入電壓信號(hào)端的采樣電容，一端與公共地端連接； 第二電容，等于所述余量增益放大器的負(fù)輸入電壓信號(hào)端的采樣電容，一端與公共地端連接； 串聯(lián)連接的第一開關(guān)和第一單位增益放大器，一端與所述第一電容的另一端連接，另一端接收所述正輸入電壓信號(hào)，所述第一開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合與斷開； 串聯(lián)連接的第二開關(guān)和第二單位增益放大器，一端與所述第二電容的另一端連接，另一端接收所述負(fù)輸入電壓信號(hào)，所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合與斷開； 第三開關(guān)，一端接收所述正參考電壓信號(hào)，另一端在建立時(shí)鐘信號(hào)和所述比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接所述第一電容或所述第二電容； 第四開關(guān)，一端接收所述負(fù)參考電壓信號(hào)，另一端在建立時(shí)鐘信號(hào)和所述比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接所述第一電容或所述第二電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述參考電壓生成模塊和所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊集成在單個(gè)的集成電路中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第一開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合與斷開具體為所述第一開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)閉合，在采樣時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)斷開； 所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合與斷開具體為所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)閉合，在采樣時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)斷開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述第三開關(guān)的另一端在建立時(shí)鐘信號(hào)和所述比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接所述第一電容或所述第二電容具體為 當(dāng)所述比較器輸出邏輯I并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第三開關(guān)的另一端連接所述第二電容； 當(dāng)所述比較器輸出邏輯-1并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第三開關(guān)的另一端連接所述第一電容； 所述第四開關(guān)的另一端在建立時(shí)鐘信號(hào)和所述比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接所述第一電容或所述第二電容具體為 當(dāng)所述比較器輸出邏輯I并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第四開關(guān)的另一端連接所述第一電容； 當(dāng)所述比較器輸出邏輯-1并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第四開關(guān)的另一端連接所述第二電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述參考電壓生成單元包括 單位增益驅(qū)動(dòng)器，具有差分輸出端； 電容，連接在所述差分輸出端之間。
6.一種如權(quán)利要求1所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作方法，包括 所述參考電壓生成單元生成差分參考電壓信號(hào)； 所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述差分參考電壓信號(hào)，將差分輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)； 其特征在于，所述方法還包括 所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合，所述正輸入電壓信號(hào)對(duì)所述第一電容充電，所述負(fù)輸入電壓信號(hào)對(duì)所述第二電容充電； 所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下斷開； 所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)在建立時(shí)鐘信號(hào)和所述比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接所述第一電容和所述第二電容，選擇性地采用所述正參考電壓信號(hào)或所述負(fù)參考電壓信號(hào)對(duì)所述第一電容和所述第二電容充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所有步驟在單個(gè)的集成電路中實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合包括 當(dāng)采樣時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)閉合； 當(dāng)采樣時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)斷開。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述選擇性地采用所述正參考電壓信號(hào)或所述負(fù)參考電壓信號(hào)對(duì)所述第一電容和所述第二電容充電包括 當(dāng)所述比較器輸出邏輯I并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第三開關(guān)的另一端連接所述第二電容，所述第四開關(guān)的另一端連接所述第一電容； 當(dāng)所述比較器輸出邏輯-1并且建立時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，所述第三開關(guān)的另一端連接所述第一電容，所述第四開關(guān)的另一端連接所述第二電容。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述參考電壓生成單元包括 單位增益驅(qū)動(dòng)器，具有差分輸出端； 電容，連接在所述差分輸出端之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其工作方法。方法包括參考電壓生成單元生成差分參考電壓信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)差分參考電壓信號(hào)，將差分輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分?jǐn)?shù)字電壓信號(hào)；第一開關(guān)和第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下閉合，正輸入電壓信號(hào)對(duì)第一電容充電，負(fù)輸入電壓信號(hào)對(duì)第二電容充電；第一開關(guān)和第二開關(guān)在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下斷開；第三開關(guān)和第四開關(guān)在建立時(shí)鐘信號(hào)和比較器輸出的信號(hào)的控制下選擇性地連接第一電容和第二電容，選擇性地采用正參考電壓信號(hào)或負(fù)參考電壓信號(hào)對(duì)第一電容和第二電容充電。本發(fā)明可以在ADC的建立時(shí)間內(nèi)，使得正參考電壓信號(hào)和負(fù)參考電壓信號(hào)提供的充電電荷與輸入電壓信號(hào)無關(guān)。
文檔編號(hào)H03M1/10GK103023499SQ20131000117
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者張弛, 殷秀梅, 程華斌, 金銳 申請(qǐng)人:北京昆騰微電子有限公司